DE4242812A1 - Vorrichtung zum Erwärmen und Aufschmelzen von Kunststoffen - Google Patents

Vorrichtung zum Erwärmen und Aufschmelzen von Kunststoffen

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Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erwärmen und Aufschmelzen von Kunststoffen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Insbesondere handelt es sich bei der vorliegenden Erfindung um eine Infrarotschweißvorrichtung mit Strahlfokussierung. Damit können Kunststoffwerkstücke mit einer Schweißnaht miteinander verbunden werden. Typischerweise wird die Oberfläche der zu verbindenden Werkstücke in einer Breite von 3 bis 4 mm und einer Tiefe von etwa ≧ 0,3 mm erwärmt und aufgeschmolzen und nach dem Entfernen der Heizvorrichtung werden die Teile unter Druck gefügt, bis sich die Schweiß­ naht verfestigt hat. Die Heizvorrichtung besteht aus einem Infrarotstrahler, dessen Länge durch die Abmessungen der zu fügenden Werkstücke bestimmt ist. Der Infrarotstrahler ist im Brennpunkt eines Reflektors angeordnet, der die Strahlen fokussiert, so daß auf der Werkstückoberfläche in dem eng begrenzten Bereich der Schweißnaht eine hohe Energiedichte erzeugt wird. Heizstrahler und Reflektor sind somit getrenn­ te Bauteile. Hierzu wird auf US-PS 5,151,149 hingewiesen. Die Leistungsdichte im Bereich des aufzuschmelzenden Kunst­ stoffs ist so hoch, daß die Heizvorrichtung oszillierend bewegt wird, um ein Verbrennen des Kunststoffs zu vermeiden.
Darüber hinaus ist es natürlich für sehr viele technische Anwendungen bekannt, zum Erwärmen von Kunststoffwerkstücken, beispielsweise zum Erhitzen von Vorformlingen beim Blas­ formen von Behältern, die Heizstrahler in Kombination mit einem Reflektor anzuordnen, um die Strahlung auf das Werk­ stück zu richten, ohne daß hier eine Fokussierung vorge­ nommen wird.
Bei dem eingangs erwähnten Herstellen einer Schweißnaht in verhältnismäßig eng begrenzten Bereichen kann auch mit einer verringerten Leistungsdichte gearbeitet werden, so daß eine Oszillationsbewegung nicht unbedingt erforderlich ist. Dies hängt auch in erheblichem Male von der Art des zu fügenden Kunststoffs ab.
Infrarotstrahler zum Aufschmelzen von Kunststoff sind im Handel erhältlich, z. B. aus dem Lieferprogramm der Firma Heraeus. Dabei handelt es sich beispielsweise um Infrarot- Zwillingsrohrstrahler mit elliptischem Reflektor, oder um einseitig vergoldete Infrarotstrahler, unfokussiert, bei denen die Strahlung aus einem Schlitz austritt. Diese Strahler sind in unterschiedlichen Gesamtlängen erhältlich.
Zum Verschweigen von Kunststoffteilen, ist es oft erwünscht, die Bauform des Strahlers der Geometrie der zu verbindenden Kunststoffteile anzupassen, insbesondere auch zweidimensio­ nal und sogar dreidimensional. Somit besteht die der Erfin­ dung zugrundeliegende Aufgabe darin, eine Vorrichtung der eingangs geschilderten Art so auszubilden, daß die Bauweise des Strahlers eine zwei- bzw. dreidimensionale Anpassung an die Werkstückgeometrie erlaubt und eine dem jeweiligen Ver­ wendungszweck angepaßte Fokussierung leicht möglich ist.
Die genannte Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
Erfindungsgemäß ist somit der fokussierende Reflektor mit dem Glaskolben integriert, das heißt, der Glaskolben besitzt einen parabolischen oder elliptischen Querschnitt zum Fokussieren des Strahls mit einer Beschichtung mit reflek­ tierendem Material, das vorzugsweise auf der Rückseite des Glaskolbens aufgebracht ist. Damit erhält man einen fokus­ sierenden Heizstrahler, dessen Form der Geometrie der zu verschweißenden bei der Herstellung angepaßt werden kann. So kann der Heizstrahler geradlinige und gebogene Abschnitte aufweisen, also zweidimensional geformt sein. Es ist aber auch eine dreidimensionale Formgebung des Heizstrahlers denkbar. Diese erfindungsgemäße Bauweise hat unter anderem den Vorteil, daß die entsprechend geformten, meist aus Metall gefertigten Reflektoren, die zusätzlich um den eigentlichen Strahler angeordnet waren, entfallen. Solche bekannten Reflektoren sind aufgrund ihrer Größe schwer und unhandlich. Ferner sind sie nur sehr aufwendig zu biegen. Beim Aufschmelzen des Kunststoffs beschlagen sie leicht mit gasförmigen Ablagerungen des erwärmten Kunststoffes.
Ein zwei- bzw. dreidimensional geformter Infrarotstrahler mit fokussierendem und reflektierendem Glaskolben muß in einem geeigneten Halter abgestützt sein. Es ist aber auch möglich, den Infrarotstrahler in einem Grundkörper aus Glas auszubilden. Dabei ist die fokussierende Wandung des Strah­ lers von einer Ausnehmung im Grundkörper gebildet. Die Ausnehmung ist mit der reflektierenden Schicht versehen.
Will man auf die kurzwellige Infrarotstrahlung verzichten, die einen evakuierten Glaskolben erfordert, und arbeitet man mit mittel- oder langwelliger Infrarotstrahlung, so ist es auch möglich, auf den Glaskolben zu verzichten. Dabei werden in einem Grundkörper, insbesondere einer Platte aus reflek­ tierendem Werkstoff die fokussierenden Ausnehmungen einge­ formt. In dieser Ausnehmung werden die Drahtwendel daß Strahler aufgehängt.
Erfindungsgemäß ist auch die Eindringtiefe der Strahlung in den Kunststoff veränderbar, indem bei der Herstellung der fokussierende Querschnitt anwendungsspezifisch gewählt wird und außerdem die Wellenlänge der Strahlung kunststoffma­ terialspezifisch optimiert wird. Die Wellenlänge und Temperatur der Strahlung kann insbesondere durch Ändern der Spannung eingestellt werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsge­ mäßen Strahlers;
Fig. 2 einen Schnitt durch den Strahler gemäß Fig. 1;
Fig. 3 eine Anordnung mit einem Doppelstrahler;
Fig. 4 eine zweidimensionale Formgebung für einen Strahler und
Fig. 5 eine geänderte Ausführungsform eines zweidi­ mensional geformten Strahlers.
Fig. 1 zeigt einen Glaskolben 1 mit einer Rückseite 2 von elliptischem oder parabelförmigem Querschnitt, wobei im Brennpunkt ein Drahtwendel 3 in der üblichen Weise aufgehängt ist. Die Vorderseite 4 des Glaskolbens 4 ist plan. Die Rückseite des Glaskolbens ist direkt mit einem reflektierenden Material beschichtet, vorzugsweise durch Aufdampfen einer Metallschicht.
In Fig. 1 hat der Infrarotstrahler mit integriertem Reflektor einen geradlinigen Verlauf. Der Glaskolben läßt sich aber ebenso in einem gebogenen oder gekrümmten Verlauf herstellen entsprechend der Form der aufzuschmelzenden Schweißnaht.
Im Schnitt der Fig. 2 sind die an der Reflektorschicht 5 reflektierten Strahlen dargestellt, die in einen Fokus 6 zusammenlaufen. Der Abstand x des Fokus 6 von der Stirnseite 4 des Strahlers sowie der Durchmesser y des Fokus läßt sich durch die Querschnittsform der fokussierenden Rückwand 2 verändern. Desweiteren läßt sich durch Wahl eines gegenüber dem Maß x geringeren oder größeren Abstandes zwischen Werkstück und Stirnseite des Strahlers der Strahlquerschnitt vergrößern. Ferner läßt sich der Durchmesser y auch durch Verschieben des Drahtwendels in senkrechter Richtung gegenüber der Rückseite des Strahlers verändern. Durch bestimmte Querschnittsformen der fokussierenden Rückseite sowie durch die Drahtwendelposition läßt sich bei der Herstellung des Strahlers der Fokus so bestimmen, daß für eine bestimmte Werkstückgeometrie und für den verwendeten Kunststoff eine optimale Schweißnahtbreite und -tiefe erzielt werden kann.
In Fig. 3 ist ein Doppelstrahler dargestellt, der aus zwei Strahlern 1 der Fig. 1 zusammengesetzt ist und zwischen die beiden miteinander zu verschweißenden Werkstücke einge­ schoben wird, um den Kunststoff längs der gewünschten Schweißnaht in beiden Werkstücken aufzuschmelzen.
Fig. 4 zeigt einen Strahler, der in einem Grundkörper 8 ausgebildet ist. Dabei ist die fokussierende und mit einer Reflektorschicht belegte Rückseite 9 von einer Ausnehmung in dem Grundkörper 8 gebildet, in welcher der Drahtwendel 3 in üblicher Weise aufgehängt ist. An der offenen Seite ist die Ausnehmung 9 durch Anschmelzen einer Stirnfläche aus Glas verschlossen. Auf diese Weise ist es möglich, für den Strahler einen Verlauf zu wählen, der für die Geometrie der Schweißnaht erforderlich ist. Es läßt sich also ein Strahler für ein bestimmtes Kunststoffwerkstück anwendungsspezifisch herstellen. Fig. 3 zeigt einen zweidimensionalen Verlauf des Strahlers. Dementsprechend ist die Oberfläche des Grundkör­ pers 8 eine Ebene. Durch entsprechende Erhöhungen und Ver­ tiefungen läßt sich auch eine dreidimensionale Formgebung des Strahlers erzielen, so daß eine vollständige Anpassung an die Werkstückgeometrie möglich ist.
Fig. 5 zeigt eine Abwandlung der Erfindung insofern, als der Strahler als mittel- oder langwelliger Infrarotstrahler ausgebildet ist, der keinen abgeschlossenen und evakuierten Glaskolben benötigt, sondern auch unter atmosphärischen Bedingungen bei normalen Luftdruck betrieben werden kann. Bei dieser Ausführungsform ist ebenfalls in einem Grund­ körper 10 eine Ausnehmung 9 mit parabolischem oder ellipti­ schem Querschnitt zur Fokussierung der Strahlung des Heiz­ wendels 3 eingeformt. Die Ausnehmung 9 ist mit einer reflek­ tierenden Schicht versehen. In der Ausnehmung ist wiederum der Drahtwendel 3 in der üblichen Weise aufgehängt. Die Stirnseite 4 entfällt. Vorzugsweise kann anstelle des Grundkörpers 10 eine reflektierende Metallplatte so verformt werden, daß sie die fokussierende Ausnehmung 9 in dem gewünschten Verlauf aufweist.

Claims (11)

1. Vorrichtung zum Erwärmen und Aufschmelzen von Kunststoffen mit mindestens einem Infrarotstrahler und einem fokussierenden Reflektor, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückseite (2) des Glaskolbens des Infrarotstrahlers einen fokussierenden Querschnitt aufweist und auf die Rückseite eine reflektierende Schicht (5) aufgebracht ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Rückseite (2) des Glaskolbens einen elliptischen bzw. parabelförmigen Querschnitt aufweist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückseite des Glaskolbens auf der Außenseite mit einem reflektierenden Material beschichtet ist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittsseite (4) des Glaskolbens plan ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Glaskolben zur Anpassung des Strahlers an die Geometrie des Werkstücks zweidimensional bzw. dreidimensional geformt ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand des Fokus vom Strahler und der Durchmesser des Fokus durch den Querschnitt der Strahlerrückseite und die Lage des Heizwendels (3) zur Rückseite bestimmbar ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenlänge der Strahlung durch Spannungsänderung wählbar ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Infrarotstrahler in einem Grundkörper ausgebildet ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die fokussierende Wandung des Infrarotstrah­ lers von einer Ausnehmung (9) des Grundkörpers aus Glas gebildet ist und die Ausnehmung mit einem reflektierenden Werkstoff beschichtet ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die fokussierende Wandung des Infrarotstrah­ lers in einem Grundkörper (10) aus reflektierendem Material eingeformt ist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Strahler Rücken an Rücken vorgesehen sind.
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